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Ladungsträger im Magnetfeld

Bewegte Ladungsträger im Magnetfeld

Wir haben gesehen, dass elektrische Ströme von einem Magnetfeld umgeben sind. Dieses Magnetfeld hat beispielsweise Einfluss auf ein in die Nähe gebrachtes magnetisches Kompassnädelchen, welches sich im Magnetfeld ausrichtet. In diesem Kapitel wollen wir die Frage klären, ob umgekehrt auch Magnetfelder einen Einfluss auf bewegte elektrische Ladungsträger haben.

Experiment: Einfluss eines Magneten auf eine Elektronenstrahlröhre

Bringt man einen Magneten in die Nähe einer Elektronenstrahlröhre (Braun'sche Röhre, Fernsehröhre, Oszilloskop), so sieht man, dass deren Bild verzerrt wird. Verfügt die Röhre nur über einen unabgelenkten Strahl, der als einzelner Bildpunkt auf dem Schirm sichtbar ist, kann man genau betrachten, welche ablenkende Wirkung der Magnet auf den Elektronenstrahl besitzt.

Warnung
Führen Sie dieses Experiment keinesfalls zu Hause mit Ihrem Fernsehgerät durch! Dies kann eventuell eine dauerhafte Störung der empfindlichen Elektronik (sog. Lochmaske) verursachen.
Abb.1
Stabmagnet vor einem Oszilloskopbildschirm

Wir machen folgende Beobachtungen:

  • Der Elektronenstrahl weicht bei Annäherung eines Stabmagneten von seiner ursprünglichen Nullposition ab.
  • Die Stärke und Richtung der Ablenkung hängt vom Ort des Stabmagneten ab.
  • Die Richtung der Ablenkung hängt von der Orientierung des Stabmagneten ab.

Experiment: Kraft auf eine Leiterschaukel

Abb.2
Leiterschaukelexperiment (mit Änderung der Stromrichtung)
Abb.3
Leiterschaukelexperiment (mit Änderung der Pole des Hufeisenmagneten)

Ein elektrisch leitender Stab ist waagerecht an zwei ebenfalls leitenden Fäden aufgehängt und wird von einem Strom I durchflossen. Bringt man nun senkrecht dazu einen Hufeisenmagneten in die Anordnung, so kann man erkennen, dass der Stab eine Kraft erfährt und ausgelenkt wird.

Zwischen den Schenkeln des Hufeisenmagneten ist dessen Magnetfeld näherungsweise homogen. Für den Fall, dass sich der stromdurchflossene Stab im homogenen Bereich des Magnetfelds befindet, wollen wir nun einige Beobachtungen notieren:

  • Die Auslenkung der Leiterschaukel erfolgt senkrecht zur Richtung des Stabes (d.h. zur Stromrichtung im Stab) und senkrecht zur Magnetfeldrichtung.
  • Vertauscht man die Pole des Hufeisenmagneten, so erfolgt die Ablenkung der Leiterschaukel in die andere Richtung.
  • Ändert man die Stromrichtung im Stab, so erfolgt seine Ablenkung in die andere Richtung.

Erklärung: Ein senkrecht zum Magnetfeld gerichteter, stromdurchflossener Leiter erfährt eine Kraft, die sowohl senkrecht zur Stromrichtung, als auch senkrecht zur Magnetfeldrichtung steht.

Wenn entweder die Stromrichtung oder die Magnetfeldrichtung umgekehrt wird, so kehrt sich auch die Richtung der wirkenden Kraft um.

Diese Kraft heißt Lorentz-Kraft.

Für die Richtung der Lorentz-Kraft gibt es folgende Merkregel:

Rechte-Hand-Regel
Abb.4
Rechte-Hand-Regel
Sind Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger der rechten Hand so ausgestreckt, dass die Finger paarweise senkrecht zu einander stehen, so repräsentieren die Finger die Richtung der Vektoren:
Zeigt der Daumen in Richtung der konventionellen Stromrichtung und der Zeigefinger in Richtung des Magnetfelds, dann zeigt der Mittelfinger in Richtung der Lorentz-Kraft.
Hinweis
Die konventionelle (oder technische) Stromrichtung zeigt in einem Metalldraht vom Pluspol zum Minuspol der Spannungsquelle. Die Richtung von bewegten negativen Ladungsträgern (z.B. Elektronen) zeigt entgegen der konventionellen Stromrichtung, die Richtung bewegter positiver Ladungsträger zeigt in die konventionelle Stromrichtung.
Abb.5
Leiterschaukelexperiment (Gesamtaufnahme)
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